địa từ và thăm dò từ chuong 5 potx

Hình 5.1 Các mômen từ của nguyên tử Để đơn giản, ta coi điện tử chuyển động trong nguyên tử trên một quỹ đạo tròn bán kính r, có tâm trùng với hạt nhân nguyên tử Hình 5.1.. Theo cơ học

Chương 5 Từ tính của đất đá Tôn Tích Ái Địa từ và thăm dò từ NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006 Từ khoá: Địa từ và thăm dò từ, Trường từ, Từ tính, Nghịch từ, Thuận từ, Khoáng từ Sắt từ, Độ từ hóa, Từ trường Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả Mục lục Chương 5 Từ tính của đất đá 3

5.1 Những kiến thức cơ bản về sự từ hoá 3

5.1.1 Khái niệm chung 3

5.1.2 Mômen từ và mômen động lượng của nguyên tử 3

5.2 Nguyên tử trong từ trường ngoài 6

5.3 Chất nghịch từ, thuận từ trong từ trường 9

5.3.1 Chất nghịch từ 9

5.3.2 Chất thuận từ 10

5.4 Vectơ cảm ứng từ và vectơ từ trường trong vật thể từ 12

5.5 Chất sắt từ 14

5.6 Phản sắt từ và ferit từ 19

5.6.1 Phản sắt từ 19

5.6.2 Ferit từ 20

5.7 Khái niệm về từ tính của đất đá 20

5.8 Các dạng từ hoá 21

5.9 Các khoáng từ Tính chất của các khoáng từ 22

5.9.1 Điều kiện xuất hiện và tồn tại của các khoáng từ 22

5.9.2 Các tính chất từ 23

5.9.3 Xêri Titanômanhêtit 24

5.9.4 Xêri Hêmatit- Ilmênit (Hêmôilmênit) 26

5.9.5 Các hydrôxyt sắt 27

5.9.6 Pirôtin FeS1+x 27

5.10 Các nguyên nhân của sự từ hoá ngược của các đá 28

5.11 Sự phụ thuộc của độ từ hoá vào hình dạng của vật 28

5.12 Sự phụ thuộc của cường độ dị thường từ vào các tính chất từ của đá 30

5.13 Cấu trúc lại lịch sử phát triển của trường địa từ 31

5.13.1 Khảo cổ từ 31

5.13.2 Các phương pháp nghiên cứu cổ từ 32

5.14 Đơn vị của các đại lượng từ được dùng trong địa từ 38

Chương 5

Từ tính của đất đá

5.1 Những kiến thức cơ bản về sự từ hoá

5.1.1 Khái niệm chung

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi đưa một thỏi sắt lại gần cực của một thanh nam châm, thỏi sắt sẽ bị nam châm hút Điều đó chứng tỏ rằng thỏi sắt đã bị từ hoá Bằng nhiều thí

nghiệm khác nhau ta có thể đi đến kết luận: Mọi chất đặt trong từ trường sẽ bị từ hoá Khi đó

chúng trở nên có từ tính và sinh ra một từ trường phụ hay từ trường riêng B G

’ khiến từ trường tổng hợp B G

trong chất bị từ hoá trở thành:

'BB

BG = G0 +Gtrong đó BG0 là vectơ cảm ứng từ trường ban đầu bên ngoài vật

Các đất đá và khoáng vật từ lúc hình thành đã nằm trong trường từ của Quả Đất Sự từ hoá của các đất đá trong trường từ của quả đất được quyết định bởi các tính chất từ của các khoáng vật tạo nên chúng

Tuỳ theo tính chất và mức độ từ hoá của các vật liệu từ nói chung và các khoáng vật, đất

đá nói riêng người ta phân ra ba loại vật liệu theo tính chất từ như sau:

Nghịch từ Những chất này bị từ hoá sẽ sinh ra một trường từ phụ B G

’ hướng ngược chiều với từ trường ban đầu BG 0 Do đó trường từ tổng hợp B G

trong các vật liệu nghịch từ bé hơn

trường từ ban đầu bên ngoài BG 0

Thuận từ Đối với các chất này trường phụ B G

’ do chúng sinh ra hướng cùng chiều với

từ trường ban đầu B G

Tuy nhiên do mức độ từ hóa yếu, từ trường phụ B G

’ của các vật liệu nghịch từ và thuận từ rất nhỏ so với từ trường ban đầu B G

0, còn đối với chất sắt từ, từ trường phụ G’ có thể lớn hơn

từ trường ban đầu

B

B G

0 hàng chục nghìn lần

5.1.2 Mômen từ và mômen động lượng của nguyên tử

Vì các đất đá khoáng vật luôn nằm trong từ trường ngoài- từ trường của quả đất, nên trước tiên để hiểu về bản chất của việc từ hoá ta hãy khảo sát trạng thái của các nguyên tử nằm trong từ trường ngoài

Tất cả các chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử, phân tử Mỗi một nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện dương Xung quanh hạt nhân có các điện tử chuyển động Theo vật lý cổ điển, các điện tử này chuyển động trên các quỹ đạo khép kín rất nhỏ gọi là các dòng điện nguyên

tố Những dòng điện nguyên tố này cũng sinh ra từ trường và bị từ trường ngoài tác dụng Nói một cách khác, các nguyên tử có từ tính Nghiên cứu từ tính của nguyên tử và tác dụng của từ trường lên

các nguyên tử, phân tử của các chất cho phép ta giải thích tính chất từ của các chất đó

Ta hãy xét một nguyên tử cô lập không chịu tác dụng của từ trường ngoài Theo cơ học cổ điển, điện tử chuyển động trong nguyên tử theo quỹ đạo tròn hoặc ellip và tạo nên dòng điện (dòng điện vi mô) Chính dòng điện kín này tạo ra từ trường

Hình 5.1

Các mômen từ của nguyên tử

Để đơn giản, ta coi điện tử chuyển động trong nguyên tử trên một quỹ đạo tròn bán kính

r, có tâm trùng với hạt nhân nguyên tử (Hình 5.1) Khi chuyển động trên quỹ đạo, điện tử có mômen từ quỹ đạo bằng:

SiniS

pGm = G = G (5.1)

trong đó i là cường độ dòng điện, S – diện tích bao quanh bởi dòng điện, nG là vectơ đơn vị pháp tuyến với mặt phẳng quỹ đạo Vì điện tử mang điện âm nên dòng điện có chiều ngược lại với chiều chuyển động trên quỹ đạo của điện tử

Nếu gọi ν là số vòng quay của điện tử trong một giây thì:

ν

= eitrong đó

r2

vπ

Vectơ hướng vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo, có chiều sao cho Gl Gr,vG Gl theo thứ tự đó hợp thành tam diện thuận và có độ lớn:

l = m r v (5.3) Hai vectơ pGm và Glcó cùng phương nhưng ngược chiều với nhau (Hình 5.1)

Với các quỹ đạo khác nhau và vG rG khác nhau do đó pGm và Gl cũng khác nhau song tỷ số giữa mômen từ quỹ đạo và mômen động lượng quỹ đạo vẫn không thay đổi và bằng:

constg

m2

el

g được gọi là hệ số từ cơ

Công thức (5.4) tính cho quỹ đạo tròn, nhưng nó còn đúng cho cả quỹ đạo ellip

Bên cạnh chuyển động trên quỹ đạo, điện tử còn chuyển động xung quanh trục riêng (Hình 5.1), do đó còn có một véc tơ mômen động lượng riêngGls(gọi tắt là spin) và một mômen từ riêng pGms cùng phương và ngược chiều vớiGls

Tính toán theo cơ học lượng tử và các thực nghiệm chứng tỏ rằng giữa pGmsvà Glscó hệ thức:

gm

el

tử

Theo cơ học lượng tử, điện tử trong nguyên tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo dừng xác định, mômen động lượng Glcủa điện tử bị lượng tử hoá, giá trị nhỏ nhất bằng h/2π và các giá trị khác là bội số nguyên của giá trị nhỏ nhất đó Thay giá trị nhỏ nhất đó vào trong biểu thức (5.4) và chỉ xét đến độ lớn, ta có:

m2

eh2

hm

= (5.7)

Ta thấy đại lượng này (xem biểu thức (5.6)) chính là Manhêtôn Bo μB Về mặt vật lý ta có:

Manhêtôn Bo bằng mômen từ quỹ đạo của điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn với giá trị mômen động lượng quỹ đạo cho phép bé nhất (khác không)

Mômen từ của các điện tử trong nguyên tử bằng tổng các mômen từ quỹ đạo và các mômen từ spin

Tương tự, mômen động lượng tổng cộng của các điện tử trong nguyên tử bằng:

e L

Pm

G

G

(5.10) trong đó γ là một hằng số được gọi là thừa số Lande, 1≤ γ ≤ 2

Từ (5.10) ta suy ra rằng khi mômen động lượng của nguyên tử biến thiên một lượng

L

Δ thì mômen từ cũng biến thiên một lượng tương ứng

L m 2

e

Δ γ

5.2 Nguyên tử trong từ trường ngoài

Trước hết ta xét trường hợp nguyên tử có một điện tử Giả sử nguyên tử được đặt trong từ trường ngoài BG0(trong phạm vi nguyên tử có thể xem là đều), hợp với quỹ đạo của nguyên tử một góc α (Hình 5.2)

Vì điện tử chuyển động trên quỹ đạo tương đương với dòng điện có mômen từ nên nó

BG Nghĩa

là các vectơ pGm và không quay về trùng với phương Gl BG0 mà lại vẽ các mặt nón tròn xoay

có trục trùng với phương của BG0 vẽ qua tâm quỹ đạo (góc giữa pGm và BG0luôn không thay đổi)

Thực vậy theo định lý về mômen động lượng, độ biến thiên của mômen động lượng quỹ đạo trong khoảng thời gian dt bằng :

dt

dl=τG (5.13)

ωLo

B z

Hình 5.2

Nguyên tử trong từ trường ngoài

Khi đó mômen động lượng mới là Gl'=Gl +dl Theo (5.13), dl luôn song song và cùng

chiều với do đó, trong thời gian dt,τG, Glchuyển đến Gl'theo hướng của dl (vuông góc với mặt

phẳng chứaGl và BG0), nghĩa là thực hiện chuyển động tuế sai Ta có thể tìm vận tốc ωL của chuyển động tuế sai của điện tử

Từ hình 5.2 ta thấy rằng trong thời gian dt, chuyển động tuế sai đã làm cho mặt phẳng chứa quay được một góc dθ = MO’M = MM’/O’M=

l

G

sin l

l d α G

Với (5.12) và (5.13) ta có:

l

BPdt

dra

suyl

ωL được gọi là vận tốc góc Larmor

Ta thấy rằng vận tốc góc Larmor không phụ thuộc vào góc α, cũng không phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo và vận tốc của điện tử trên quỹ đạo Do đó công thức (5.14) đúng cho mọi điện tử trong nguyên tử

Tóm lại, khi nguyên tử đặt trong từ trường ngoài thì mỗi nguyên tử sẽ tham gia một chuyển động phụ - chuyển động tuế sai - xung quanh trục Oz (Hình 5.2) đi qua tâm quỹ đạo

và song song với phương từ trường ngoài với vận tốc góc bằng vận tốc góc Larmor

Sự tuế sai làm thay đổi dòng điện quỹ đạo, tức là làm xuất hiện một dòng điện phụ:

π

ω

=ν

=Δ

2ee

L

trong đó νLlà tần số quay của chuyển động phụ của điện tử

Theo (5.14), từ biểu thức trên ta có:

m4

Be

2

π

=Δ

có chiều ngược với dòng i

Khi đó, bên cạnh mômen từ pGmsẽ xuất hiện một mômen từ quỹ đạo cảm ứng của điện tử:

0

2

m4

SeS.i

π

=Δ

2

m4

Se

Z 1

i i0

2 mi

m4

ep

Z 1 i i

m 4

S Z e

tử bằng không nghĩa là tổng vectơ của mômen từ của tất cả các nguyên tử hay phân tử bằng không Sự từ hoá xuất hiện là do các chuyển động tuế sai của các quỹ đạo điện tử trong từ trường gây nên Các khí trơ, đa số các hợp chất hữu cơ, nhiều kim loại (như Bi, Zn, Au, Ag, Cu), nhựa, nước, thuỷ tinh, các khoáng vật như thạch anh, clorit, apatit, fenspat, plagiolazơ, êpiđôt, thạch anh thuộc nhóm nghịch từ này

Để đặc trưng cho mức độ từ hoá của các vật thể bị nhiễm từ, người ta đưa vào một đại lượng vật lý GJ, được gọi là độ từ hoá (hay vectơ từ hoá) JG là mômen từ của một đơn vị thể tích của vật thể bị từ hoá:

0 1 P lim

(5.17)

trong đó n là số nguyên tử (hay phân tử) trong thể tích τ, PGmilà vectơ mômen từ của nguyên

tử hay phân tử thứ i Vectơ từ hoá là một đại lượng cơ bản đặc trưng cho trạng thái từ của vật

chất Biết tại mỗi một điểm của vật thể bị từ hoá ta có thể xác định được từ trường do vật

0 0

0

m 4

S Z e n P

n P

= τ

Δ

trong đó n0 là số nguyên tử trong một đơn vị thể tích của chất nghịch từ Như vậy

.m4

SZen

0

2 0

do đồng thời cả hai nguyên nhân này gây nên

Ví dụ về các chất thuận từ là các kim loại kiềm (Na, K, ), ôxit nitơ dưới dạng khí (NO), ôxy, không khí, Platin (Pt), Al, và một số kim loại khác

Hình 5.3

Chất thuận từ trong từ trường ngoài B 0JG= G

Hình 5.4

Chất thuận từ trong từ trường ngoài B≠0

Khi chưa đặt chất thuận từ vào trong từ trường ngoài, do chuyển động nhiệt hỗn loạn, các mômen từ của các nguyên tử sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn (Hình 5.3), do đó mômen từ tổng cộng của chất thuận từ bằng không

Khi đặt chất thuận từ vào trong từ trường ngoài, trên mỗi nguyên tử có tác dụng một ngẫu lực làm cho mômen từ của nó có khuynh hướng sắp xếp song song với từ trường ngoài (Hình

5.4) Như vậy hướng của từ trường ngoài là hướng sắp xếp ưu tiên của các mômen từ nguyên

tử PGm Vectơ từ hoá GJ của chất thuận từ khác không và song song với từ trường ngoài- khối thuận từ đã bị từ hoá Đó chính là hiện tượng thuận từ

Hệ số từ hoá của chất thuận từ phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ của chất thuận từ càng cao, chuyển động nhiệt của các nguyên tử càng mạnh, khả năng định hướng trong từ trường ngoài càng yếu, tức là vectơ từ hoá JGcàng bé Điều này giải thích sự giảm của hệ số từ hoá thuận từ khi chất thuận từ được nung nóng

Năm 1905 Langevin đã đưa ra lý thuyết về hiện tượng thuận từ cổ điển Theo lý thuyết này, khi đặt nguyên tử thuận từ vào trong từ trường ngoài, tác dụng định hướng phụ thuộc vào mômen từ của nguyên tử và cảm ứng từ ngoài B0 Tác dụng hỗn loạn của chuyển động nhiệt được xác định bằng đại lượng kT, tỷ lệ với năng lượng nhiệt trung bình của một nguyên tử Tác dụng tổng hợp của hai yếu tố này phụ thuộc vào tỷ số:

e e x

1 x coth

x x

được gọi là hàm Langevin

Khi 1 << x (từ trường rất lớn hoặc nhiệt độ rất thấp) L x( )→ và J = n1 0Pm, tức

là tất cả các mômen từ của các nguyên tử đều hướng theo trường ngoài: hiện tượng bão hoà từ xảy ra

Tại nhiệt độ trong phòng (T = 300 K), x chỉ xấp xỉ 1 khi BG0 rất lớn, còn trong các trường hợp thường gặp trong thực tế, x luôn rất bé hơn 1

Trong điều kiện bình thường, với x << 1, khai triển L(x) thành chuỗi, ta có gần đúng L(x) = x/3 Lúc đó, theo (5.22) ta có:

P

n0 m2

= thì từ (5.25) ta có:

χm = C.TĐịnh luật này đã được Pierre Curie tìm ra bằng thực nghiệm vào năm 1895 Hằng số C được gọi là hằng số Curie Định luật này đúng khi trạng thái từ hoá còn xa trạng thái bão hoà, tức là khi

T

B0

nhỏ

5.4 Vectơ cảm ứng từ và vectơ từ trường trong vật thể từ

Để đặc trưng cho từ trường tạo bởi chính các dòng vĩ mô, bên cạnh vectơ cảm ứng từ B,Gngười ta còn đưa vào véctơ cường độ trường từ HG không phụ thuộc vào tính chất của môi trường Muốn vậy, ta định nghĩa vectơ HG theo vectơ cảm ứng từ BGckdo chính dòng vĩ mô tạo

ra trong chân không Trong hệ đơn vị SI ta có:

0

ck =μ

=

n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài

Trong hệ đơn vị hợp pháp, đơn vị đo từ trường là A/m

Khi đặt khối thuận từ vào trong từ trường, khối này bị từ hoá và tạo ra một từ trường riêng bên cạnh trường ngoài Khi khối từ đồng nhất chiếm toàn bộ không gian có từ trường định xứ thì có thể tìm được mối liên hệ giữa từ trường riêng và véc tơ từ hoá GJ

Ta xét một khối từ hình trụ tròn có chiều dài khá lớn, tiết diện S được đặt trong từ trường đồng nhất của một ống dây solênôit dài (Hình 5.5) Khi đó, từ trường ngoài sẽ định hướng dòng điện vi mô (các dòng điện kín bên trong mỗi nguyên tử được gọi là dòng điện phân tử) và sắp xếp các mômen từ PGm của chúng dọc theo trường ngoài HG (theo trục của hình trụ) Các dòng điện vi

mô nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục này

Hình 5.5

J

và H trong vật thể từ

Tổng hợp các mômen từ của các dòng điện phân tử lại, thanh vật liệu từ tạo nên một từ trường HG'khác không

Để tính HG' ta xét một tiết diện ngang của thanh Vì mẫu được từ hoá đồng nhất, const

J=

G

, nên có thể xem tất cả các dòng điện phân tử trong tiết diện này là đồng nhất và có cùng một hướng Từ hình 5.5 ta thấy tại những nơi tiếp xúc của các dòng điện phân tử riêng biệt, hướng của chúng ngược nhau, do đó từ trường tạo bởi các dòng điện phân tử bên trong

bù trừ lẫn nhau Vì thế, chỉ còn lại từ trường tạo bởi các phần dòng điện phân tử nằm tại mép ngoài của thanh và tạo thành dòng điện mặt i Nếu xét toàn bộ thanh vật liệu từ, thì tất cả các dòng điện phân tử của nó tương đương với một dòng điện duy nhất chạy bao quanh mặt ngoài của thanh, hay nói khác đi nó giống như một ống dây điện dài

Do đó từ trường riêng H’ do thanh vật liệu từ sinh ra tại một điểm bên trong của nó là:

Ni thanh

tÝch ThÓ

trô thanh cña tõ Momen

Cảm ứng từ toàn phần bằng tổng các cảm ứng từ BGck tạo bởi cuộn dây từ hoá và cảm ứng

từ Bck’ tạo bởi các dòng điện mặt Do đó cảm ứng từ trong vật từ bằng:

) J H ( ) ' H H ( ' B B

B G Gck G ck 0 G G 0 0 G G

+ μ

= +

μ + +

= (5.31) Trong nhiều tinh thể từ, hướng của từ trường HG và vectơ từ hoá có thể không trùng nhau Trong các tinh thể này, Gcòn phụ thuộc hướng của từ trường đối với các trục tinh thể Các chất như vậy được gọi là chất dị hướng từ Nói chung trong các chất loại này, hướng của cảm ứng từ BG và từ trường G khác nhau

JGJ

H

Trong nhiều chất, hướng của JGvà HG luôn trùng nhau Sự từ hoá không phụ thuộc vào hướng của trường từ hoá và chúng là các vật thể từ đẳng hướng Trong các chất như vậy, hướng của các vectơ BG và HG trùng nhau

Theo (5.18) và (5.27) ta có (B0 = Bck):

' H H B

1

0

G G G

G

= χ

= χ

μ

=

Thay vào (5.31) ta thu được:

H ) 1 ( ' H H

χ + μ

= μ + μ

Độ từ thẩm của vật chất là một đại lượng không thứ nguyên

Đối với chất thuận từ χm >0 nên μ >1, nghịch từ χm < 0 nên μ <1, với chân không χm =0 nên μ =1, còn đối với các chất sắt từ (sẽ xét sau), nói chung χm rất lớn nên μ >>1

5.5 Chất sắt từ

Khác với các chất nghịch từ và thuận từ là các vật liệu từ yếu, sắt từ là một loại vật liệu từ mạnh Trong vật liệu sắt từ có một tương tác đặc biệt, gọi là tương tác trao đổi, có tác dụng định hướng các mômen từ lưỡng cực nguyên tử song song với nhau, bất kể xu thế của chuyển động nhiệt làm cho chúng hỗn loạn Hiện tượng này được gọi là hiện tượng sắt từ, là hiệu ứng lượng tử và không thể giải thích được bằng vật lý cổ điển

Theo kết quả thực nghiệm thì hệ số Lande γ trong (5.10) của các nguyên tử của các vật liệu sắt từ đa số trường hợp đều bằng 2 Điều đó chứng tỏ rằng các mômen từ của các nguyên

tử chủ yếu là do các spin của các điện tử gây nên Vì vậy hiện tượng sắt từ liên quan đến các mômen spin của các điện tử trong nguyên tử

Hình 5.6

Đường cong từ hoá sắt từ

2 Vectơ từ hoá JG (và cả vectơ BG ) không phụ thuộc tuyến tính vào H (Hình 5.6) Nói khác đi, hệ số từ hoá (và cả μ) là một hàm số của từ trường

G

H.G Từ hình 5.6 ta thấy ban đầu J

tăng khá nhanh theo từ trường, tới một giá trị Hs nào đó thì độ từ hoá J đạt giá trị bão hòa Js,

từ đó tiếp tục tăng từ trường, J không tăng nữa

Hình 5.7 biểu diễn sự phụ thuộc giữa cảm ứng từ B trong chất sắt từ với từ trường ngoài

H Đường cong này không có đoạn nằm ngang

Như ta biết, BG =μ0(HG +JG) Khi J đạt giá trị bão hòa (cực đại) thì B tăng tuyến tính theo

H Trong khoảng từ trường nhỏ, hệ số từ hoá có giá trị không đổi và bằng χ0 (Hình 5.8) χ0

được gọi là hệ số từ hoá ban đầu Sau đó χm tăng nhanh theo từ trường, tới một giá trị H nào

đó, hệ số từ hoá đạt giá trị cực đại χm Từ đó nếu tiếp tục tăng từ trường, χm giảm dần và khi

từ trường lớn χ → Thật vậy, khi sự từ hoá đạt tới giá trị bão hòa, J = Jm 0 s thì khi tiếp tục tăng H, tỷ số J/H = χm sẽ tiến dần đến không

H B

Tại nhiệt độ Curie không chỉ vectơ từ hoá J bằng không, mà người ta còn quan sát được

hàng loạt dị thường về nhiệt dung, điện trở suất, từ giảo v.v

4 Một đặc trưng quan trọng của chất sắt từ là hiện tượng từ trễ Giả sử ta từ hoá một chất sắt từ chưa được từ hoá lần nào Khi tăng từ trường, J tăng theo đường cong OA (Hình 5.9)

OA được gọi là đường cong từ hoá cơ bản của sắt từ Từ Ha ta giảm cường độ từ trường thì J cũng giảm, nhưng không theo đường cong AO mà theo đường AMr cao hơn Khi từ trường ngoài H= 0, J =Jr khác không tức là chất sắt từ vẫn còn từ tính dư

a

H

−

a ta được một đường cong kín gọi là chu trình từ trễ Như vậy, sự từ hoá sắt từ không chỉ

phụ thuộc vào độ lớn của từ trường ngoài mà còn phụ thuộc vào trạng thái trước đó của vật liệu Căn cứ vào độ lớn của Hc, người ta chia các chất sắt từ làm hai loại:

- Sắt từ mềm có chu trình từ trễ hẹp với lực kháng từ Hc nhỏ

- Sắt từ cứng có chu trình từ trễ rộng với lực kháng từ Hc lớn

5 Khi từ hoá chất sắt từ, hình dạng và kích thước của nó bị thay đổi Hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ giảo Để đặc trưng cho hiệu ứng từ giảo, người ta dùng đại lượng biến thiên chiều dài tỷ đối của chất sắt từ trong từ trường

l

lΔ

=

λ Độ lớn và dấu của đại lượng này phụ thuộc vào cường độ của trường từ hoá, vào bản chất của chất sắt từ và vào hướng của trục tinh thể so với hướng của từ trường

Chẳng hạn với Ni, λ luôn luôn < 0, với pecmalôi (hợp kim Fe-Ni) λ luôn luôn >0, còn với

Fe trong các trường yếu λ >0 còn trong các trường mạnh λ <0

Với các chất sắt từ còn quan sát được hiện tượng ngược lại: Khi biến dạng, độ từ hoá J của chúng biến thiên Các hợp kim với từ giảo lớn ( ) được dùng trong các dụng cụ để đo áp suất và biến dạng Các dao động cơ học xuất hiện trong các khối sắt từ khi

từ hoá chúng trong từ trường biến đổi tuần hoàn được sử dụng trong các máy phát siêu âm

8 3

10

=λ

Bên cạnh các máy phát dùng hiệu ứng áp điện, các máy phát siêu âm từ giảo công suất lớn được dùng trong nhiều ngành kỹ thuật hiện đại

6 Giải thích hiện tượng sắt từ

Ta đã giả thiết rằng trong chất sắt từ các mômen từ của các nguyên tử lân cận nhau sắp xếp song song với nhau Khi đó, vì sao mômen từ của mẫu không đạt giá trị bão hòa ở từ trường ngoài rất thấp, ngay cả bằng không?

Để giải thích điều này, Weiss đã đưa ra giả thiết cơ bản như sau: Ở dưới nhiệt độ Curie, sắt từ được chia thành các miền từ hoá tự phát rất nhỏ và được gọi là đômen (kích thước cỡ

10-5m) Kích thước và dạng các đômen trong các đơn tinh thể và đa tinh thể khác nhau (Hình 5.10) Trong đơn tinh thể, các nguyên tử sắp xếp đều đặn trong toàn bộ thể tích mẫu, còn đa tinh thể gồm rất nhiều tinh thể nhỏ, sắp xếp hỗn loạn Trong mỗi đômen, các mômen từ spin sắp xếp song song với nhau do tác dụng của một loại lực đặc biệt gọi là lực tương tác trao đổi Song khi không có từ trường ngoài, vectơ mômen từ của các đômen sắp xếp hỗn loạn, vì vậy mômen từ tổng cộng của chất sắt từ bằng không Sự tạo thành các đômen trong chất sắt từ là để năng lượng tự do của hệ cực tiểu

Sơ đồ các quá trình từ hoá của sắt từ

Có nhiều phương pháp thực nghiệm cho phép quan sát cấu trúc đômen Phương pháp đơn giản nhất là phương pháp hình bột Bitter Trên bề mặt của chất sắt từ đã được mài thật nhẵn, phủ một lớp chất lỏng huyền phù của các hạt nhỏ bột sắt từ (như Fe3O4) Các đômen tương tự như các nam châm rất nhỏ, biên giới của chúng (được gọi là vách đômen) là những vùng hẹp trong đó sự định hướng của mômen từ thay đổi từ hướng này sang một hướng khác, do đó tại vách từ trường không đồng nhất Các hạt sắt từ nhỏ bị tập trung lại tại biên giới các đômen Dùng kính hiển vi người ta quan sát được cấu trúc đômen đó

7 Hai quá trình từ hoá cơ bản

Một trong những nhiệm vụ cơ bản của lý thuyết sắt từ là giải thích đường cong từ hoá cơ bản, tức là sự phụ thuộc của độ từ hoá JG vào cường độ từ trường H.G

Khi không có từ trường ngoài, chất sắt từ được chia thành các đômen sao cho mômen từ tổng cộng của nó bằng không Điều đó được biểu diễn trên hình 5.11.a, mô tả bốn đômen thể tích như nhau, mỗi đômen được từ hoá đến bão hòa Khi đặt chất sắt từ vào trong từ trường, trong nó xuất hiện một độ từ hoá khác không Có thể chia sự từ hoá sắt từ ra làm hai quá trình:

- Quá trình dịch chuyển vách đômen: Khi từ trường ngoài nhỏ, đômen nào có véctơ từ hoá tạo một góc nhọn với hướng từ trường ngoài sẽ mở rộng ra (vì năng lượng của nó nhỏ hơn), đômen nào có véctơ từ hoá hợp một góc tù với hướng trường ngoài sẽ thu hẹp lại (Hình 5.11.b) Trong từ trường nhỏ, sự dịch chuyển vách là thuận nghịch, nghĩa là khi ngắt từ trường ngoài, vách sẽ trở lại vị trí ban đầu Đoạn 1 của đường cong từ hoá trên hình 5.11.g ứng với giai đoạn này Khi tăng cường độ từ trường ngoài, sự dịch chuyển vách đômen là bất thuận nghịch (đoạn 2 của đường cong từ hoá trên hình 5.11.g) Đến một giá trị từ trường nào

đó, quá trình dịch chuyển vách kết thúc (Hình 5.11.f)

- Quá trình quay mômen từ của các đômen: Nếu tiếp tục tăng từ trường hơn nữa, sẽ xuất hiện quá trình từ hoá mới, khi đó mômen từ của các đômen sẽ quay theo hướng trường (Hình 5.11.d) Khi từ trường đủ mạnh, mômen từ của tất cả các đômen đều sắp xếp song song với từ trường Trong trạng thái này, chất sắt từ có mômen từ lớn nhất ở nhiệt độ cho trước, tức là nó

được từ hoá đến bão hòa (Hình 5.11.e) Đoạn 3 của đường cong từ hoá trên hình 5.11.g ứng với quá trình này

Như vậy, các quá trình nêu trên đóng vai trò khác nhau trên những giai đoạn từ hoá khác nhau Tại đoạn 1 (Hình 5.11.g), quá trình từ hoá chủ yếu là dịch chuyển vách đômen thuận nghịch

Trên đoạn 2 quá trình từ hoá chủ yếu là dịch chuyển vách đômen bất thuận nghịch Còn trên đoạn 3 chủ yếu là quá trình quay mômen từ

8 Giải thích hiện tượng từ trễ

Các quá trình từ hoá mà ta vừa nêu trên thường là bất thuận nghịch, bắt đầu từ một giá trị nào đó của từ trường Sở dĩ như vậy là vì thường trong chất sắt từ luôn tồn tại những yếu tố làm cho tinh thể, về toàn bộ không còn đồng nhất nữa (do các ứng suất cơ học, các tạp chất ) Do đó sau khi sắt từ được từ hoá, từ trường giảm về không, độ từ hoá toàn mẫu vẫn còn một giá trị nào đó, vì tác dụng của các yếu tố bất đồng nhất ngăn cản các quá trình dịch chuyển và quay, tương tự như một nội lực ma sát không cho các mômen từ của chất sắt từ trở

về trạng thái hỗn loạn ban đầu

Độ từ hoá của vật liệu từ đóng vai trò rất quan trọng trong việc lưu trữ thông tin từ tính, như trong băng cassette và đĩa máy tính Trong thăm dò từ, độ từ hoá dư của các đất đá phản ánh khách quan sự tồn tại của trường từ Quả Đất tại thời điểm tạo đá, chính vì tính chất đặc biệt quan trọng này mà người ta đã hình thành hai môn khoa học địa từ mới, đó là môn cổ từ học và môn khảo cổ từ học

Mặt khác, như đã trình bày ở trên, khi từ hoá chất sắt từ, các đômen có véctơ từ hoá tạo một góc tù với trường ngoài sẽ bị giảm thể tích đến không Tuy nhiên trong toàn bộ vật chất vẫn còn lại một số đômen nhỏ mà véctơ từ hoá đối song song hoặc tạo một góc tù với trường Khi đảo từ (tác dụng từ trường ngược chiều từ trường ban đầu), các đômen nhỏ này (được gọi

là các mầm đảo từ) không được phát triển lớn lên ngay mà một số vẫn bị giữ lại tại đâu đó trong tinh thể Đây cũng là một nguyên nhân của hiện tượng từ trễ

5.6 Phản sắt từ và ferit từ

5.6.1 Phản sắt từ

Có một số chất được gọi là các chất phản sắt từ, trong đó mômen spin của các nguyên

tử cạnh nhau sắp xếp đối song song Sự tồn tại của chúng được Landau tiên đoán từ năm

1933

Các chất MnO, NiO, Cr2O3, CuCl2, một số hợp chất đất hiếm là các chất phản sắt từ Trong trường hợp đơn giản nhất có thể xem mạng tinh thể của các chất phản sắt từ gồm hai phân mạng lồng vào nhau Trong mỗi phân mạng mômen spin của các ion định hướng song song với nhau nhưng mômen spin của hai phân mạng lại ngược nhau

Sự sắp xếp trật tự của các đômen spin chỉ xẩy ra ở dưới nhiệt độ gọi là nhiệt Curie phản sắt từ (hay nhiệt độ Néel) Mômen từ tổng cộng của chất phản sắt từ bằng không khi không có

từ trường ngoài và tăng tỷ lệ với trường do có sự định hướng lại spin Tại nhiệt độ thấp, hệ số

từ hoá của chất phản sắt từ rất nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên, sự sắp xếp đối song song từng cặp một của các spin bị vi phạm và hệ số từ hoá tăng lên Tại nhiệt độ Néel, sự sắp xếp trật tự của các spin bị phá vỡ, chất phản sắt từ biến thành thuận từ